التحكم بالتيار الكهربائي للمحولات متعددة الأطوار DC-DC

يتم تقييم العديد من مفاهيم التحكم بالتيار الكهربائي لمحولات (DC-DC) “المشذرة غير المعزولة” بشكل منهجي من حيث أداء حالتها الديناميكية والثابتة بناءً على مؤشرات تقييم الأداء المحددة، كما تمت دراسة هياكل التحكم الحالية المختلفة المناسبة للأنظمة المشذرة متعددة المراحل.

تحليل التحكم بالتيار الكهربائي للمحولات متعددة الأطوار DC-DC

يتم عرض النطاق الترددي العالي ومصادر التيار الدقيقة مع القدرة على تقديم أشكال موجية شبيهة بالخطوة، كما يمكن التحكم فيها بحيث تظهر مع الوقت وتجد مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل محاكاة أجهزة الطاقة في الحلقة (P-HiL)، كذلك مغناطيسات تسريع القيادة لتطبيقات الطاقة الطبية والاندماج أو معدات اختبار لشبكات (HVDC)، كما تتزايد مواصفات هذه التطبيقات باستمرار، حيث تتطلب غالباً تصنيفاً عالياً للتيار مع ديناميكية عالية.

ومن أجل تلبية هذه المواصفات؛ فإنه من الضروري الجمع بين تصميم برامج الأجهزة والتحكم المحسن بحيث يتضمن تحسين الأجهزة تطوير واختيار الهيكل المناسب ومعلماته، وغالباً ما يتم اختيار الهيكل والمعلمات بناءً على منهجية تصميم مساحة مدفوعة بالمواصفات بهدف إيجاد مساحة تصميم مع حلول قادرة نظرياً على تلبية المواصفات، ومن ناحية أخرى يتطلب برنامج التحكم تصميم وحدة تحكم تستفيد من الهيكل المختار وتضمن تلبية الإمكانات الكاملة للنظام الكهربائي.

منصة الاختبار الخاصة بتيار المحولات الكهربائية متعددة الأطوار

يوضح الشكل التالي (1) طوبولوجيا المصدر الحالي المختار في هذه الدراسة كمنصة اختبار، وعلى عكس المحولات ذات المرحلتين، والتي اكتسبت الانتباه أيضاً مؤخراً؛ فإن الهيكل المختار عبارة عن محول أحادي المرحلة بستة مراحل، وهو معشق من النوع العكسي ثنائي المستوى مع وصلة (DC) المقسمة، بحيث يوفر الهيكل متعدد المراحل للمصدر المرونة لتناسب التطبيقات المختلفة ويزيد من التصنيف الحالي للمصدر، مما يجعله مناسباً لمختلف تطبيقات التيار العالي في نطاق (kA).

وعلاوة على ذلك؛ فإن تشذير تيارات الوحدة (iL) يسمح بزيادة تردد التبديل الفعال وعرض النطاق الترددي، كما ويقلل بشكل كبير من رمز تموج تيار المحول، بحيث يتم سرد المعلمات الرئيسية للمصدر في الجدول التالي (1)، كما وتجدر الإشارة إلى أن الهيكل ذو المستويين من النوع العاكس قد لا يكون الهيكل الأكثر كفاءة لكامل نطاق الجهد الكهربائي الذي يجب تقديمه، بحيث تتجاوز الكفاءة المقاسة (98٪) بالنسبة لـ (vc) من (550) فولت ولكنه أقل من (95٪) للتيار المتردد أقل من (50) فولت في التيار الاسمي.

استراتيجية التحكم المستخدمة لضبط تيار محولات (DC-DC)

فيما يتعلق باستراتيجية التحكم؛ فإن نهج التحكم الحالي الأكثر استخداماً لمحولات (DC-DC) المتشابكة هي طرق التحكم الحالية القائمة على المتوسط الخطي (مثل التحكم PI)، بحيث تستخدم هذه الطريقة متوسط التيار لكل مرحلة من أجل توفير تتبع مرجعي دقيق مع ضمان تردد تبديل ثابت ومشاركة تيار متساوية بين المراحل.

وعلى الرغم من فوائده وبساطته؛ فإن الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي الذي يمكن تحقيقه لهذا المفهوم يتعرض للخطر بسبب تأخيرات الحلقة المغلقة التي لا مفر منها، أي القياس والتواصل وتأخيرات مرحلة الطاقة، بحيث تم تطبيق المفهوم في المحولات متعددة المراحل التي تم تنفيذها كعنصر تحكم (PI) تقليدي وكذلك كعنصر تحكم في التغذية المرتدة للحالة قائم على (LQR-SFC) وأخيراً كعنصر تحكم (H-infinity).

كذلك هناك مخطط تحكم آخر واسع الانتشار غالباً ما يستخدم للأنظمة المشذرة، ونظراً لتنفيذه البسيط وتصميمه البديهي وخصائص الإشارة الكبيرة شبه المثالية؛ فهو جذاب بشكل خاص للأنظمة عالية الديناميكية، ومع ذلك في شكله التقليدي؛ فإنه يعاني من:

• تبديل تردد التردد الكهربائي، مما يؤدي إلى تشذير غير دقيق وبالتالي زيادة التموج.

• تتبع مرجعي غير دقيق.

• مشاركة تيار غير متوازن بين المراحل.

هياكل النمذجة والتحكم الكهربائي في شكل تيار المحولات

يقدم هذا القسم هياكل التحكم التي تم فحصها، بالإضافة إلى النماذج اللازمة والتعبيرات التحليلية المستخدمة لوصف ومحاكاة أدائها، في البداية تكون مرحلة الطاقة وحلقة التغذية الراجعة متطابقة لجميع هياكل التحكم التي تمت مناقشتها، كما ويتم سرد الافتراضات الرئيسية للعناصر المشتركة لحلقة التحكم أدناه.

• الحالات المقاسة للنظام هي تيارات الوحدة الفردية (iL ، i) جهد الخرج (vc) ومكثف الإدخال (V1 ، V2)، ونظراً لأن (V1 ، V2) يتغيران ببطء فقط؛ بحيث يُفترض أن تكون قياساتهما مثالية ويتم إهمال التأخيرات المحتملة.

• يُفترض أن تكون مرحلة أشباه موصلات الطاقة (نصف الجسر) مثالية مع تأخير تشغيل يساوي وقت التشابك، وبالنسبة للإعداد المدروس؛ فإنه يُفترض أن وقتاً متشابكاً محافظاً إلى حد ما يبلغ (500) ثانية، ونظراً لاستخدام أجهزة (SiC) الحديثة في نظام النموذج الأولي، بحيث تعتبر أوقات الصعود والانخفاض أقل بكثير من وقت التشابك وبالتالي يتم إهمالها.

• يتم إهمال المقاومة على الحالة للمفاتيح، لأنها لا تؤثر على أداء التحكم ويمكن عادةً تعويضها، كما وتجدر الإشارة إلى أن مرحلة القدرة على غرار نموذج التبديل التفصيلي وليس مع نموذج متوسط ​​الدورة الفرعية، بحيث يتم تمثيل مرحلة القدرة في المخططات التالية مع الفدرات “تأخير مرحلة القدرة” و “مرحلة التبديل” (على سبيل المثال في الشكل التالي 2).

• يتم قياس تيارات الوحدة (iL ، i) باستخدام مستشعر تيار عرض النطاق الترددي (DC-500) كيلو هرتز، بحيث يتم قياس جهد الخرج (vc) بمقسم جهد (RC) وبعرض نطاق يبلغ (500) كيلو هرتز، ولتصفية التوافقيات عالية التردد للإشارة التناظرية؛ فإنه يتم تضمين مرشح تمرير منخفض تناظري إضافي من الرتبة الرابعة بتردد قطع يبلغ (400) كيلو هرتز في تصميم كل من دوائر القياس (iL ، i ، vc).

كما يتم تقسيم وحدات الحكم الخاصة بتنظيم تيار المحولات الكهربائية الى:

• وحدة تحكم (PI) بتحديث واحد لكل فترة تحويل.

• وحدة تحكم (PI) مع معدل تحديث سريع.

• وحدة تحكم ملاحظات الحالة المستندة إلى (LQR).

• وحدة تحكم هجينة تكيفية للمحولات الكهربائية المشقوقة.

• نموذج التحكم الكهربائي التنبئي.

وأخيراً تتلخص الاستنتاجات الرئيسية للدراسة فيما يلي:

• أظهرت تحسينات (Pareto-front) للأنظمة المختلفة أن وحدة التحكم الهجينة التكيفية لديها القدرة على الأداء بالقرب من وحدة التحكم المثالية عند اتباع الخطوات العابرة.

• تؤدي وحدة التحكم (PI) ذات معدل التحديث السريع إلى زيادة الأداء بنسبة (10٪) على الأقل مقارنة بتنفيذ وحدة تحكم (PI) التقليدية بمعدل تحديث واحد، بحيث تأتي هذه الزيادة في الأداء على حساب قوة حسابية أعلى وزيادة التعقيد.

• يمكن ضبط مخططات (SFC ، MPC) لتحقيق إمكانات ديناميكية أعلى مقارنة بوحدة التحكم (PI)، ومع ذلك؛ فإن كلاهما يعرض أداء حالة مستقرة أسوأ، مما يعيق قابليتهما للتطبيق في الأنظمة التي تتطلب دقة عالية في التسطيح.

• تحقق وحدة التحكم الهجينة التكيفية أفضل أداء في المراحل العابرة، ونظراً لأن وحدة التحكم الهستيري تضمن استجابة عابرة شبه مثالية ويمكن ضبط وحدة التحكم (PI) لتقليل الاضطرابات الناتجة عن الضوضاء أثناء التسطيح.